Konzeption und Evaluation eines Kinematik/Dynamik-Lehrgangs zur ...

5 Entwicklung eines Gesamtkonzeptes zur Kinematik und Dynamik 89
gungen zu vermitteln, bleibt es doch oft ein Zusatz zur eigentlichen Geschwindigkeit wie die Aussage
„nach links“ bzw. „nach rechts“.
Zum Einstieg in zweidimensionale Bewegungen eignet sich die Betrachtung einer Fahrradfahrt.
Lässt man einen Schüler mit einem Fahrrad im Gang des Schulgebäudes fahren und sendet die Impulse
des Dynamos über ein recht langes Kabel (Wilhelm, Heuer, Phan-Gia, 1997, S. 2 f.) oder eleganter
per Funk an eine umgebaute PC-Maus (Heuer, Voß, Geßner, 2002, S. 15 f.), kann man am
PC im Klassenzimmer den zurückgelegten Weg und die augenblickliche „Schnelligkeit“ wie bei
einem Tachometer mit sehr guter Auflösung darstellen und dokumentieren. Dabei wird deutlich,
dass diese Angaben trotzdem nicht reichen, um zu wissen, wo sich der Mitschüler gerade befindet.
Die Schüler erkennen, dass eine Richtungsangabe bei der Bewegung bzw. eine Ortsangabe fehlt. Im
Unterricht schlugen sie als Lösung u.a. GPS vor (siehe 5.3.3.3). Man braucht also ein Bezugssystem.
Natürlich kann man auch ohne diese Hardware zum Impulssenden auf andere Weise deutlich
machen, dass die Tachoangabe zur Beschreibung einer Bewegung nicht ausreicht und Bewegungen
im Allgemeinen dreidimensional, häufig jedoch näherungsweise zweidimensional sind. Beispielsweise
könnte der Schüler auf dem Fahrrad die augenblickliche
Tachoanzeige permanent über ein
Handy an die Klasse im Klassenzimmer übermitteln
(Gröber, Poth, Wilhelm, 2006).
Genauer lassen sich Bewegungen dokumentieren
und analysieren, die mit der PC-Maus auf dem
Versuchstisch durchgeführt werden. Entsprechend
der Bewegung der Maus erhält man auf dem Bildschirm
eine Bahnkurve, die noch keine Informationen
über die benötigte Zeit enthält. Um auch Ort
und Zeit in der Bahnkurve zu identifizieren, um
dadurch einen Eindruck von der Schnelligkeit zu
bekommen, können an die Bahnkurve z.B. alle
0,1s eine Zeit-Ort-Marke oder ein Ortsvektor x �
vom Bezugspunkt zu der Marke (siehe Abb. 5.1)
gezeichnet werden 4 . Diese Zeit-Ort-Marken wer- Abb. 5.1: Bahnkurve einer Computermaus mit
Zeitmarken (alle ∆t = 0,15 s) und Ortsvektoren
4
In der Physik ist es üblich, den Ortsvektor kurz ⎟ ⎛ x ⎞
r = ⎜
⎝ y⎠
�
mit den Komponenten x und y zu nennen. Dann müssten die
Schüler damit zurechtkommen, dass beim Wechsel vom Zwei- aufs Eindimensionale in allen Formeln von r auf x
gewechselt wird. In der Mathematik würde man eher ⎟ ⎛ x1
⎞
x = ⎜
⎝ x2
⎠
�
mit den Komponenten x1 und x2 verwenden. Dann
müssten die Schüler aber bei der Beschriftung des Koordinatensystems umlernen, da sie aus dem
Mathematikunterricht x und y gewohnt sind. Um jegliches Umlernen zu vermeiden, wurde hier der Ortsvektor mit
⎛ x ⎞
x = ⎜
⎟
⎝ y⎠
�
mit den Komponenten x und y bezeichnet, x hat also zwei verschiedene Bedeutungen. Der zurückgelegte
Weg, also die Länge der Bahnkurve, wird wie üblich mit s bezeichnet. Üblicherweise werden in Lehrbüchern
vektorielle Größen im Gegensatz zu skalaren Größen fett gedruckt. Da dies im Heft und auf der Tafel nicht möglich